La comparaison de la théorie des données montre que les particules légères peuvent créer des flux de fluides

Une nouvelle analyse informatique par des théoriciens du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie et de la Wayne State University soutient l’idée que les photons (alias particules légères) entrant en collision avec des ions lourds peuvent créer des fluides de particules “hautement interactifs”. Dans un article récemment publié dans Lettre d’examen physiqueils ont montré que les calculs décrivant un tel système correspondaient aux données recueillies par les détecteurs ATLAS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) en Europe.

Comme l’explique le document, les calculs sont basés sur le flux hydrodynamique de particules observé lors de la collision directe de divers types d’ions au LHC et au Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE. Physique nucléaire Recherche au Brookhaven Lab. Avec seulement des changements mineurs, ce compte explique également schéma d’écoulement Vu en quasi-accident, où Photos qui forme un nuage autour de l’ion accélérant qui entre en collision avec l’ion dans le faisceau opposé.

Le but est d’utiliser le même cadre que nous utilisons pour décrire LeadershipIl est possible que dans ces collisions photon-ion, nous créons un micromilieu dense et hautement interactif qui est bien décrit par l’hydrodynamique – tout comme il le fait dans les systèmes plus grands », a déclaré Bjorn Schenck, théoricien au Brookhaven Lab. co-auteur sur papier. “

signature liquide

L’observation de particules s’écoulant de différentes manières est la preuve essentielle que des systèmes de collision plus importants (collisions plomb-proton-plomb au LHC ; collisions or-or-proton-or au RHIC) créent des fluides presque parfaits. Le modèle d’écoulement est attribué à l’énorme gradient de pression causé par le grand nombre de particules hautement réactives générées par l’interférence des ions en collision.

“En écrasant ensemble ces noyaux à haute énergie, nous créons des densités d’énergie si élevées – comprimant l’énergie cinétique de ces personnes dans un espace minuscule – que ces choses se comportent essentiellement comme des liquides”, a déclaré Schenke.

particules sphériques (y compris proton et noyau) les collisions directes devraient produire un gradient de pression uniforme. Mais les collisions qui se chevauchent partiellement produisent un gradient de pression allongé en forme d’amande qui pousse plus de particules à haute énergie vers l’extérieur le long de l’axe court que perpendiculairement à celui-ci.

Ce modèle de «flux elliptique» a été l’une des premières indications que les particules en collision dans le RHIC pourraient produire un plasma quark-gluon, ou QGP – la soupe chaude des éléments constitutifs qui composent les protons et les neutrons dans les noyaux / ions. Les scientifiques ont d’abord été surpris par le comportement fluide du QGP. Mais plus tard, ils ont établi le flux elliptique comme une caractéristique déterminante du QGP et la preuve que les quarks et les gluons interagissent toujours fortement, même lorsqu’ils ne sont pas confinés dans les protons et les neutrons individuels. Des observations ultérieures de schémas d’écoulement similaires dans des collisions de protons avec de grands noyaux d’intérêt suggèrent que ces systèmes de collision proton-nucléaire peuvent également créer de petites plaques de soupe quark-gluon.

“Notre nouvel article vise à pousser cela encore plus loin, en examinant les collisions entre les photons et les noyaux”, a déclaré Schenke.

Changer la coque

On sait depuis longtemps que les collisions supramoléculaires peuvent créer des interactions photon-noyau, en utilisant les noyaux eux-mêmes comme sources de photons. En effet, les particules chargées accélérées à des énergies élevées, telles que les noyaux/ions de plomb accélérés au LHC (et les ions d’or au RHIC), émettent des ondes électromagnétiques – des particules légères. Par conséquent, tous les ions plomb accélérés au LHC sont essentiellement entourés d’un nuage de photons.

“Lorsque deux de ces ions passent à proximité sans entrer en collision, vous pouvez penser à l’un d’eux émettant un photon, puis l’ion plomb frappe l’autre”, a déclaré Schenk. « Cet incident s’est produit si souvent ; il est plus facile pour les ions de le manquer que de se frapper carrément.

Érudit de l’Atlas Données récemment publiées sur un signal intéressant qui ressemble à un flux de collisions de noyaux de photons.

“Nous avons dû mettre en place des techniques spéciales de collecte de données pour capturer ces collisions uniques”, a déclaré Blair Seidlitz, un physicien de l’Université de Columbia qui a aidé à créer le système d’exploitation d’analyse ATLAS alors qu’il était étudiant diplômé à l’Université du Colorado à Boulder. . “Après avoir collecté suffisamment de données, nous avons été surpris de trouver un signal de type flux similaire à celui observé lors d’une collision plomb-proton, bien que légèrement plus petit.”

Schenke et ses collaborateurs ont cherché à savoir si leurs calculs théoriques pouvaient décrire avec précision le modèle de flux de particules.

Ils ont utilisé les mêmes calculs hydrodynamiques qui décrivent le comportement des particules résultantes dans un système de collision plomb-plomb-proton-plomb. Mais ils ont fait quelques ajustements pour tenir compte de la “coquille” frappant le noyau principal qui passe des protons aux photons.

Selon les lois de la physique (en particulier l’électrodynamique quantique), un photon peut subir une fluctuation quantique en une autre particule de même nombre quantique. Les mésons Rho, une particule constituée d’une combinaison spéciale de quarks et d’antiquarks maintenus ensemble par des gluons, sont l’un des résultats les plus probables de ces fluctuations de photons.

Si vous revenez au proton – composé de trois quarks – la particule rho qui est composée de deux quarks n’est qu’un échelon sur l’échelle de complexité.

“Au lieu de gluons répartis autour des trois quarks à l’intérieur du proton, nous avons deux quarks (antiquarks) avec des gluons répartis autour d’eux pour entrer en collision avec le noyau”, a déclaré Schenke.

représente l’énergie

Les calculs doivent également tenir compte des grandes différences d’énergie dans ces systèmes de collision photon-nucléaire, par rapport à proton-plomb et plomb-plomb notamment.

“Le photon émis en frappant l’étain ne transportera pas tout l’élan du noyau d’étain qui en est issu, mais seulement une petite partie de celui-ci. Ainsi, l’énergie d’impact sera bien moindre”, a déclaré Schenck.

Cette différence d’énergie s’est avérée plus importante que le changement de coquilles.

Dans les collisions ioniques lourdes plomb-or-or les plus énergétiques, le motif de particules sortantes se poursuit dans le plan transversal des faisceaux en collision, quelle que soit la distance à laquelle vous regardez du point d’impact le long de la ligne des rayons (dans le sens longitudinal) . Mais lorsque Schenk et ses collègues ont modélisé les modèles de particules attendus émergeant des collisions de photons de plomb à faible énergie, il est devenu clair que l’inclusion des détails tridimensionnels de l’orientation longitudinale faisait une différence. Le modèle montre que la géométrie de la distribution des particules change rapidement avec l’augmentation de la distance longitudinale ; Les particules deviennent « interconnectées ».

“Les particules voient différents gradients de pression en fonction de leur position longitudinale”, explique Schenck.

“Par conséquent, pour ces collisions plomb-photon à faible énergie, il est important d’exécuter un modèle hydrodynamique 3D complet (qui est plus exigeant en termes de calcul) car la distribution des particules change plus rapidement lorsqu’elles sortent dans le sens longitudinal”, a-t-il déclaré.

Lorsque les théoriciens ont comparé leurs prédictions à l’aide de ce modèle hydrodynamique 3D complet à faible énergie avec les modèles d’écoulement de particules observés dans les collisions plomb-photon par le détecteur ATLAS, les données et la théorie correspondaient bien, du moins pour les modèles d’écoulement elliptiques plus prononcés. . , a déclaré Shenk.

Implications et avenir

“D’après ces résultats, il semble plausible que même dans la collision d’ions photons lourds, nous ayons un liquide hautement réactif qui répond à la dose initiale. crash La géométrie, telle que décrite par l’hydrodynamique, dit Schenk. “Si l’énergie et la température sont suffisamment élevées, un plasma quark-gluon se formera”, a-t-il ajouté.

Seydlitz, physicien à ATLAS, commente : « C’est formidable de voir ces résultats montrant la formation de minuscules gouttelettes plasma quark-gluon, ainsi que la façon dont cette analyse théorique fournit une explication concrète de la raison pour laquelle la signature de flux est légèrement plus petite dans les collisions plomb-photon. “

Des données supplémentaires qui seront collectées par ATLAS et d’autres expériences au RHIC et au LHC au cours des prochaines années permettront une analyse plus détaillée des flux de particules provenant des collisions photon-nucléaire. Cette analyse aidera à distinguer les calculs hydrodynamiques des autres explications possibles, où le modèle d’écoulement n’est pas une conséquence de la réponse du système à la géométrie initiale.

À long terme, les expériences au collisionneur électron-ion (EIC), une installation prévue pour remplacer le RHIC au cours de la prochaine décennie au laboratoire de Brookhaven, pourraient fournir des conclusions plus définitives.